Projektowanie maszyn: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 12 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Koła i przekładnie zębate

Zazębione koła
n1·N1 = n2·N2
Moment skręcający
T2 = T1·(N2/N1)·η
Moc
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Przekładnia wielostopniowa
przełożenie całkowite = iloczyn przełożeń poszczególnych stopni

Skręcanie wałów

Naprężenie styczne
τ = T·r/J
Wał pełny
J = πd⁴/32
Wał drążony
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Kąt skręcenia
φ = TL/(GJ)
Moc
P = T·ω = 2πnT/60

Metoda

  1. Wyznacz biegunowy moment bezwładności: J = πd⁴/32 dla wału pełnego.
  2. Naprężenie styczne na powierzchni: τ = T·r/J, gdzie r to promień zewnętrzny.
  3. Kąt skręcenia: φ = TL/(GJ) w radianach.
  4. Jeśli podana jest moc, najpierw wyznacz moment z P = T·ω, ω = 2πn/60.

Koło Mohra i transformacja naprężeń

Środek
C = (σx + σy)/2
Promień
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Naprężenia główne
σ1,2 = C ± R
Kierunek główny
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Płaszczyzna ukośna
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metoda

  1. Oblicz środek koła Mohra: C = (σx + σy)/2.
  2. Oblicz promień: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.
  4. Kąty na kole są dwa razy większe niż kąty na elemencie: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Naprężenie i odkształcenie osiowe

Naprężenie normalne
σ = F/A
Odkształcenie
ε = ΔL/L
Prawo Hooke’a
σ = E·ε
Wydłużenie
ΔL = FL/(EA)
Odkształcenie termiczne
εT = α·ΔT

Wyboczenie słupów

Siła krytyczna Eulera
Pcr = π²EI/(KL)²
Współczynnik długości wyboczeniowej
K = 1 przegub–przegub, 0,5 utwierdzenie–utwierdzenie, 0,7 utwierdzenie–przegub, 2 utwierdzenie–wolny koniec
Naprężenie krytyczne
σcr = Pcr/A
Smukłość
λ = KL/r, r = √(I/A)

Drgania mechaniczne

Częstotliwość drgań własnych
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Z ugięcia statycznego
ωn = √(g/δst)
Tłumienie krytyczne
cc = 2√(km) = 2mωn
Współczynnik tłumienia
ζ = c/cc
Częstotliwość drgań tłumionych
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logarytmiczny dekrement tłumienia
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Sprężyny połączone równolegle
k = k1 + k2
Sprężyny połączone szeregowo
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Zadania do ćwiczenia

1.Koła i przekładnie zębateŚredni
N1​ = ?N2​

Dwa równoległe wały są oddalone o 60 mm. Mają być połączone parą kół zębatych walcowych o module 3 mm i przełożeniu redukującym 1,5 : 1. Ile zębów N1 musi mieć zębnik?

a = 60 mmm = 3 mmi = 1,5
N1 =
2.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 36B = 50C = 25D = ?

W przekładni wielostopniowej koło A (36 zębów) na wale wejściowym obraca się z prędkością 2880 rpm i napędza koło B (50 zębów). Koło C (25 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D na wale wyjściowym. Wał wyjściowy ma się obracać z prędkością 1037 rpm. Ile zębów ND musi mieć koło D?

nin = 2880 rpmA = 36B = 50C = 25nout = 1037 rpm
ND =
3.Skręcanie wałówŚredni
d = ?T = 750 N·mL = 2,5 m

Pełny wał (mosiądz) o długości 2,5 m przenosi moment skręcający 750 N·m. Kąt skręcenia między jego końcami nie może przekroczyć 0,5°. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która spełnia ten warunek.

T = 750 N·mL = 2,5 mG = 39 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 75 kW przy 500 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 50 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 75 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 100σy​ = 90MPaτxy​ = ?

W punkcie σₓ = 100 MPa i σᵧ = 90 MPa. Jak duże może być naprężenie styczne τxy (wartość bezwzględna), zanim największe naprężenie główne osiągnie 135 MPa?

σx = 100 MPaσy = 90 MPaσ1 = 135 MPa
τxy = MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​ = 90σy​ = −10τxy​ = 50MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 90 MPa, σᵧ = −10 MPa i τₓᵧ = 50 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz naprężenie normalne σθ na płaszczyźnie, której normalna jest obrócona o 25° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara względem osi x.

σx = 90 MPaσy = −10 MPaτxy = 50 MPaθ = 25°
σθ = MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmMiedź3 mP = 15 kN

Wyznacz odkształcenie osiowe ε w pręcie (miedź), w mikroodkształceniach (µε = 10⁻⁶).

P = 15 kNd = 10 mmL = 3 mE = 117 GPa
ε = µε
8.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 35 mmStal2 mØ 20 mmStal0,5 mP = 35 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz całkowite wydłużenie δ.

P = 35 kNodcinek 1: Ø35 mm, 2 m, stal (E = 200 GPa)odcinek 2: Ø20 mm, 0,5 m, stal (E = 200 GPa)
δ = mm
9.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 2 m20 × 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 20 × 50 mm
Pcr = kN
10.Wyboczenie słupówTrudny
PL = 2,5 md = 50 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony u podstawy i przegubowo podparty u góry. Wyznacz jego smukłość i naprężenie krytyczne σcr ze wzoru Eulera.

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Drgania mechaniczneŚredni
tx25 mmLiczba cykli: 57,1 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 25 mm po 5 cyklach następuje maksimum 7,1 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 25 mmx5 = 7,1 mmn = 5
ζ =
12.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 5k2​ = 5k3​ = 20m = 5 kg

Masa 5 kg wisi na sprężynie k₃ = 20 kN/m. Górny koniec k₃ jest przymocowany do sztywnej belki, która wisi na dwóch sprężynach obok siebie, k₁ = 5 kN/m i k₂ = 5 kN/m; belka pozostaje pozioma. Pomiń tłumienie oraz masy sprężyn i belki. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 5 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3Roztwory

1.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: N1 = 16

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Łączna liczba zębów

N1 + N2 = 2a/m = 2·60/3 = 40

Podział według przełożenia

N1 = 40/(1 + 1,5) = 16

Odpowiedź

N1 = 16
2.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: ND = 50

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

Prędkość wału pośredniego

nB = nC = 2880·36/50 = 2074 rpm

Liczba zębów koła D

ND = C·nC/nout = 25·2074/1037 = 50

Odpowiedź

ND = 50
3.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 86,55 mm

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Wymagany biegunowy moment bezwładności

T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·2500/(39000·0,008727) = 5,509 × 10⁶ mm⁴

Średnica

d = (32J/π)1/4 = 86,55 mm

Odpowiedź

d = 86,55 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

4.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 52,64 mm

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 75000/52,36 = 1432 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,432 × 10⁶/(π·50)) = 52,64 mm

Odpowiedź

d = 52,64 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

5.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: τxy = 39,69 MPa

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

Wymagany promień

C = (100 + 90)/2 = 95 MPa
R = σ1 − C = 135 − 95 = 40 MPa
στxyCσ1​σ2​

Naprężenie styczne

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(40² − 5²) = 39,69 MPa

Odpowiedź

τxy = 39,69 MPa
6.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σθ = 110,4 MPa

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

Równanie transformacji

σθ = 40 + 50·0,6428 + 50·0,766 = 110,4 MPa

Odpowiedź

σθ = 110,4 MPa
7.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: ε = 1632 µε

Prawo Hooke’a: w zakresie sprężystym σ = E·ε. Łącząc to z σ = P/A i ε = δ/L, dostajemy δ = PL/(AE).

Naprężenie

A = π·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 15·1000/78,54 = 191 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for miedź = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 191/117000 = 0,001632 = 1632 µε

Odpowiedź

ε = 1632 µε
8.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 0,6423 mm

Pręty obciążone osiowo: każdy pryzmatyczny odcinek spełnia δ = PL/(AE). Dla odcinków połączonych szeregowo wydłużenia się sumują.

Ta sama siła w obu odcinkach

Swobodny koniec przenosi P, więc każdy przekrój pręta przenosi tę samą siłę osiową P. Zmieniają się tylko pola przekroju i materiały.

A1 = π·35²/4 = 962,1 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 36,38 MPa
σ2 = 111,4 MPa

Dodaj wydłużenia odcinków

δ1 = σ1L1/E1 = 36,38·2000/200000 = 0,3638 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 111,4·500/200000 = 0,2785 mm
δ = δ1 + δ2 = 0,6423 mm

Odpowiedź

δ = 0,6423 mm
9.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 5,757 kN

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Najmniejszy moment bezwładności

Prostokąt wybocza się względem słabszej osi, z mniejszym wymiarem do sześcianu.

Imin = h·b³/12 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 1·2000 = 2000 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/2000² = 5757 N = 5,757 kN

Odpowiedź

Pcr = 5,757 kN
10.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: σcr = 35,25 MPa

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Najmniejszy moment bezwładności

Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Promień bezwładności i smukłość

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/12,5 = 140

Naprężenie krytyczne

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/140² = 35,25 MPa

Odpowiedź

σcr = 35,25 MPa
11.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,04004

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Logarytmiczny dekrement tłumienia

δ = (1/5)·ln(25/7,1) = 0,2518

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,2518/√(39,48 + 0,06338) = 0,04004

Odpowiedź

ζ = 0,04004
12.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 5,812 Hz

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Sztywność zastępcza

Tylko k1 i k2 są połączone równolegle. Ta para jest szeregowo z k3, więc połącz je przez odwrotności.

k12 = 5 + 5 = 10 kN/m
keq = 10·20/(10 + 20) = 6,667 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(6667/5) = 36,51 rad/s
fn = 36,51/(2π) = 5,812 Hz

Odpowiedź

fn = 5,812 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design